文懷興 岳瑞芳

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

隨著當(dāng)今全球化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的逐漸提高，在工業(yè)生產(chǎn)中，用戶對(duì)產(chǎn)品成本、研發(fā)周期等方面逐漸有了更高的要求，企業(yè)一直在不斷探索能夠同時(shí)減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間和成本的最先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法[1]。于是，通過(guò)運(yùn)用先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)人因工程學(xué)研究、空氣動(dòng)力學(xué)分析、碰撞檢測(cè)與市場(chǎng)調(diào)研等研發(fā)工作是極有可能的。因此虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)受到產(chǎn)業(yè)界和信息領(lǐng)域的關(guān)注。

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)，就是把聲音信息、圖像信息等多種信息通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)反饋到人，在人的周圍模擬出一個(gè)虛擬環(huán)境，讓人有一種身臨其境的感覺，從而實(shí)現(xiàn)人與虛擬環(huán)境的交流、溝通與反饋。通過(guò)利用這種技術(shù)，當(dāng)使用者戴上數(shù)據(jù)手套、頭盔、立體眼鏡等裝置后有身臨其境的感覺。其獨(dú)特的3I特性：浸沒(méi)感(immersion)、交互性(interaction)和構(gòu)想性(imagination)，充分體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅能夠模擬現(xiàn)實(shí)又能夠超越現(xiàn)實(shí)特性。這種技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛被應(yīng)用于通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、航天等各個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。

虛擬現(xiàn)實(shí)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域一個(gè)重要的應(yīng)用是虛擬裝配(virtual assembly，VA)。虛擬裝配是虛擬設(shè)計(jì)和虛擬制造之后的重要組成部分。利用虛擬裝配技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的裝配模擬，可以將工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)制造的零件與相關(guān)的子系統(tǒng)裝配在合適的位置上，從而可以找出最有效的裝配方法，最終給產(chǎn)品制造業(yè)提供出一個(gè)有效的技術(shù)手段，解決生產(chǎn)制造方面的問(wèn)題，比傳統(tǒng)方式效率更高、質(zhì)量更好。

1 三維模型的建立

1.1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人整機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接決定機(jī)器人預(yù)定功能的實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，甚至一定程度上決定控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。目前機(jī)器人市場(chǎng)比較成熟的產(chǎn)品有兩種形式，優(yōu)缺點(diǎn)分別如下：

1.1.1 直角坐標(biāo)式機(jī)器人

直角坐標(biāo)式機(jī)器人的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程容易實(shí)現(xiàn)、承重能力較大以及成本低廉，但缺點(diǎn)是占用空間比較大、無(wú)法完成復(fù)雜的任務(wù)，如無(wú)法完成帶角度的任務(wù)。

1.1.2 關(guān)節(jié)式機(jī)器人

關(guān)節(jié)式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是自由度很高，幾乎可以完成任何軌跡的任務(wù)或帶有角度的任務(wù)；工作空間較大，能夠完成機(jī)身周圍360°范圍內(nèi)的任務(wù)。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、承載能力較小，特別是編程比較復(fù)雜，成本高。

對(duì)比兩者的優(yōu)缺點(diǎn)之后，在最大限度保留三自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，初步擬定四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人整機(jī)結(jié)構(gòu)的方案如圖2所示。

(1)X軸由安裝在絲杠螺母副上的X軸步進(jìn)電機(jī)7帶動(dòng)同步帶輪4驅(qū)動(dòng)同步帶5實(shí)現(xiàn)X軸方向的左右運(yùn)動(dòng)。同步帶輪較齒輪齒條，柔性好，對(duì)機(jī)械加工要求低。

(2)Y軸方向由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)11驅(qū)動(dòng)同步帶輪12，經(jīng)同步帶14傳動(dòng)帶動(dòng)帶輪，最終驅(qū)動(dòng)腳輪1在軌道上滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前后運(yùn)動(dòng)。

(3)Z軸方向選用T型絲杠螺母副，由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)6帶動(dòng)絲杠10繞Z軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)螺母9及固定在其上的整個(gè)手臂部分4做上下直線運(yùn)動(dòng)。

(4)C軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由固定于底板13上的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)2帶動(dòng)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)3運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使機(jī)器人的整個(gè)上部做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

1.2 機(jī)器人三維建模

四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人及其執(zhí)行裝置一共包括100多種零件，根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同可以分為簡(jiǎn)單零部件、較復(fù)雜零部件和復(fù)雜零部件。

(1)機(jī)器人的Z軸連接架、上頂板、Z軸電動(dòng)機(jī)支座等零件是箱體類的零件，它們由最簡(jiǎn)單的特征經(jīng)過(guò)拉伸、切除、拔模等一系列步驟生成零件。

(2)機(jī)器人的C軸回轉(zhuǎn)副中的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、Y軸行走機(jī)構(gòu)等部件，它們的共同點(diǎn)是由多個(gè)零部件組成，并且設(shè)計(jì)了參照關(guān)系。首先需要在SolidWorks的零件模式下生成主控零件，然后將這個(gè)零件裝配到SolidWorks的裝配模式下，其他零件都圍繞這個(gè)主控零件來(lái)進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)尺寸都是以主控件的尺寸為參照。

(3)四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人整機(jī)裝配。從前面部分的論述可以看出，本四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人的所有零部件有的是三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人的原有零部件，也有重新設(shè)計(jì)的新的零部件，因此本文采用的是自頂向下和自底向上兩種設(shè)計(jì)方法混合的設(shè)計(jì)策略。裝配時(shí)首先完成這些功能組件的裝配，然后再把這些功能組件裝配成機(jī)器人的整機(jī)模型。機(jī)器人部分功能組件如圖2所示。圖3為裝配后的機(jī)器人整機(jī)模型。

2 四坐標(biāo)機(jī)器人虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)

EON Studio是一款運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行 3D 對(duì)象展示、運(yùn)動(dòng)仿真、虛擬裝配的多功能軟件。它是一個(gè)完全基于 GUI 的設(shè)計(jì)工具，能夠開發(fā)出應(yīng)用于銷售、電子商務(wù)、機(jī)械、建筑以及教育培訓(xùn)等領(lǐng)域的實(shí)時(shí) 3D多媒體應(yīng)用程序。使用者在EON 的3D 環(huán)境中，通過(guò)瀏覽器與顯示的圖形化模型產(chǎn)生的交互，都會(huì)及時(shí)地反映在虛擬環(huán)境中，如鼠標(biāo)及鍵盤等標(biāo)準(zhǔn)的配備，或者用數(shù)據(jù)手套等虛擬環(huán)境設(shè)備，即可與虛擬環(huán)境中的實(shí)體產(chǎn)生互動(dòng)行為[2]。

2.1 模型導(dǎo)入

機(jī)器人三維模型導(dǎo)入EON Studio步驟如下：

(1)在Scene節(jié)點(diǎn)下建立節(jié)點(diǎn)，用以存放機(jī)器人組件，拖動(dòng)一個(gè)frame節(jié)點(diǎn)至sence節(jié)點(diǎn)下。

(2)選中frame節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)擊File菜單，在Import選項(xiàng)中選取SolidWorks一項(xiàng)。

(3)在Import file對(duì)話框中找到機(jī)器人的文件，單擊“打開”按鈕進(jìn)行導(dǎo)入。

(4)導(dǎo)入成功后，可以看到機(jī)器人所有零件的節(jié)點(diǎn)保存到機(jī)器人節(jié)點(diǎn)下。圖4是導(dǎo)入成功后的節(jié)點(diǎn)。

2.2 拆卸流程圖

在EON Studio中進(jìn)行虛擬拆卸時(shí)，主要用到支持平移、旋轉(zhuǎn)的功能節(jié)點(diǎn)(如Keyfraem節(jié)點(diǎn)、Path節(jié)點(diǎn)、Place節(jié)點(diǎn)等)和傳感器節(jié)點(diǎn)(如ClickSensor節(jié)點(diǎn)、KeyboardSensor節(jié)點(diǎn)、MouseSensor節(jié)點(diǎn)等)。本文采用Place節(jié)點(diǎn)和2Dtext節(jié)點(diǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬拆卸。拆卸流程圖如圖5。

拆卸設(shè)置的相關(guān)步驟如下：

(1)在Simulation Tree對(duì)話框中找到第一個(gè)要拆卸的節(jié)點(diǎn)dianji，在左端Agent Nodes中找到Place節(jié)點(diǎn)，將其拖到dianji下方，并且命名dianji-1。

(2)根據(jù)零件的先后拆卸順序依次插入Place節(jié)點(diǎn)。

(3)將編重命名的節(jié)點(diǎn)拖到左邊的routes框中，用連接線連接所有節(jié)點(diǎn)，如圖6所示。

(4)對(duì)每個(gè)零部件拆卸的距離、方向、時(shí)間及啟動(dòng)方式參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如圖7所示。

虛擬拆裝部分如圖8所示。虛擬裝配是虛擬拆卸的逆過(guò)程，在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)置時(shí)，節(jié)點(diǎn)順序相反，然后連接，節(jié)點(diǎn)參數(shù)方向相反，時(shí)間相同。

2.3 虛擬手運(yùn)動(dòng)仿真

EON studio作為仿真平臺(tái)，其提供的Rotate、Place節(jié)點(diǎn)能夠方便地實(shí)現(xiàn)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的仿真。下面詳細(xì)說(shuō)明在EON studio中實(shí)現(xiàn)機(jī)械手抓取物體仿真的具體步驟。

(1)將2D Text節(jié)點(diǎn)拖動(dòng)到Scence節(jié)點(diǎn)下，單擊該節(jié)點(diǎn)，在右側(cè)屬性框中把文本修改為“運(yùn)動(dòng)仿真”，其作用是在仿真窗口中當(dāng)左鍵單擊“運(yùn)動(dòng)仿真”文本框時(shí)，即可觸發(fā)應(yīng)用程序的仿真指令。

(2)分別把Rotate節(jié)點(diǎn)拖動(dòng)到機(jī)械手的各個(gè)節(jié)點(diǎn)下，并把它們重新命名以便操作。

(3)將2D Text節(jié)點(diǎn)和所有Rotate節(jié)點(diǎn)拖動(dòng)到邏輯關(guān)系視窗中，把2D Text節(jié)點(diǎn)的OnButtonDown輸出域與Rotate節(jié)點(diǎn)的SetRun輸入域相連，左鍵單擊“運(yùn)動(dòng)仿真”按鈕，應(yīng)用程序開始進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。仿真過(guò)程部分截圖如圖9所示。

2.4 人機(jī)交互性的設(shè)置

在虛擬拆裝訓(xùn)練中，拆裝過(guò)程必須通過(guò)人機(jī)交互來(lái)實(shí)現(xiàn)。在本文所開發(fā)的系統(tǒng)中，虛擬環(huán)境下人與裝配元件之間的行為交互，是通過(guò)系統(tǒng)中設(shè)置的傳感器(如：MouseSensor，Keyboardscnsor，BoxSensor，TimeSenor等)觸發(fā)、事件驅(qū)動(dòng)和路由機(jī)制(路由定義了節(jié)點(diǎn)間的連接方式及事件(event)的發(fā)送與接收方式，表達(dá)了節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的某種特定的關(guān)聯(lián)關(guān)系)實(shí)現(xiàn)的。其實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)將鼠標(biāo)傳感器(mousesensor) 節(jié)點(diǎn)和Drag-Drop 節(jié)點(diǎn)放置在工具模型的frame 節(jié)點(diǎn)目錄下。

(2)將MouseSensor 節(jié)點(diǎn)輸出域中的CurorPosition項(xiàng)(輸出鼠標(biāo)位置)連接到DragDrop 節(jié)點(diǎn)輸入域中，接收由鼠標(biāo)傳感器傳來(lái)的指令信息。

(3)按住鼠標(biāo)右鍵拖動(dòng)維修工具，到達(dá)指定區(qū)域后工具高亮顯示。

(4)松開鼠標(biāo)，工具即進(jìn)入工作狀態(tài)，自動(dòng)對(duì)部件進(jìn)行拆裝操作。

2.5 多角度觀測(cè)的設(shè)置

漫游節(jié)點(diǎn)(walk about node)與步行節(jié)點(diǎn)比較類似，也是用來(lái)在模擬場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)漫游的，但兩者區(qū)別在于，漫游節(jié)點(diǎn)是用鍵盤進(jìn)行操作，而步行節(jié)點(diǎn)是由鼠標(biāo)或者是其操作桿進(jìn)行操作控制的。

應(yīng)用此節(jié)點(diǎn)時(shí)，漫游的具體步驟是，首先在節(jié)點(diǎn)視窗中拖動(dòng)漫游節(jié)點(diǎn)到樹狀結(jié)構(gòu)視窗中指定的節(jié)點(diǎn)下，便可以實(shí)現(xiàn)在虛擬場(chǎng)景中的漫游。還可以根據(jù)個(gè)人的習(xí)慣，在漫游節(jié)點(diǎn)的屬性框中進(jìn)行自己的設(shè)置，如速度、控制鍵等等，以實(shí)現(xiàn)在虛擬場(chǎng)景中漫游時(shí)能高效率的操作和快速的漫游。

EON中默認(rèn)的鍵盤設(shè)置與對(duì)應(yīng)功能如表1所示。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)利用SolidWorks設(shè)計(jì)出移動(dòng)式四坐標(biāo)機(jī)器人并建立其三維模型，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)直角坐標(biāo)機(jī)器人和關(guān)節(jié)機(jī)器人的不足。在明確系統(tǒng)的技術(shù)體系以及研究對(duì)象的基礎(chǔ)上，提出機(jī)器人產(chǎn)品虛擬裝配系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。該過(guò)程將虛擬裝配系統(tǒng)分為輸入、輸出和虛擬拆裝環(huán)境三個(gè)子系統(tǒng)，在無(wú)需實(shí)體模型前提下，實(shí)現(xiàn)裝配過(guò)程的優(yōu)化。

(2)建立面向機(jī)械類產(chǎn)品的虛擬裝配環(huán)境，該環(huán)境支持調(diào)整產(chǎn)品的觀察縮放、視角、平移、標(biāo)示零部件不同的顏色，控制零件的顯示與隱藏等功能。

(3)需進(jìn)一步將機(jī)械手與機(jī)器人相結(jié)合，完成整機(jī)的虛擬拆裝系統(tǒng)，并運(yùn)用虛擬手套等交互感和沉浸感更強(qiáng)的技術(shù)，以此實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的人機(jī)交互。

表1 鍵盤設(shè)置與功能

功能控制鍵跑(Run)S左轉(zhuǎn)(Rotateleft)Leftarrow向前走(Forward)Uparrow右轉(zhuǎn)(Rotateright)Rightarrow向后走(Back)Downarrow向左(Left)A向右(Right)S前進(jìn)(Up)Numpad+后退(Down)Numpad＿中心查看(Centerlook)End向上看(LookUp)Pagedown向下看(LookDown)Delete

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